AP1000燃料管理方案經(jīng)濟性分析

鄭保軍，付 翌

(中國核電工程有限公司，北京100840)

AP1000燃料管理方案經(jīng)濟性分析

鄭保軍，付 翌

(中國核電工程有限公司，北京100840)

核電廠采取的燃料管理方案對經(jīng)濟性結(jié)果影響很大。對于同一核電技術(shù)，考慮某一設(shè)計方案的變化，有助于度量該技術(shù)單一要素的影響。AP1000機組設(shè)計了兩種不同的首循環(huán)，兩種不同的平衡循環(huán)，以及數(shù)種相應(yīng)的過渡循環(huán)。本文通過分析不同循環(huán)的特點，計算了各種設(shè)計方案的經(jīng)濟性，同時分析了燃料費用相關(guān)要素對經(jīng)濟性對比結(jié)果的影響，旨在幫助決策者選擇經(jīng)濟合理的燃料方案。

AP1000；燃料管理；經(jīng)濟性分析

核動力發(fā)電是一種清潔環(huán)保、高效、安全、經(jīng)濟的能源技術(shù)。

在加強安全性的同時，對核電經(jīng)濟性的要求也逐漸得到重視，核電標(biāo)桿上網(wǎng)電價制度實施后，優(yōu)化設(shè)計方案、降低相關(guān)成本、提高競爭力成為核電不得不面臨的重要課題。降低建設(shè)投資是提高核電經(jīng)濟性的優(yōu)先手段。與此同時，投資確定的情況下，選擇合理和先進的燃料管理方案，有助于提高核電廠利用率，提高銷售收入，降低燃料成本，對核電廠經(jīng)濟性的影響巨大。

AP1000技術(shù)是美國西屋公司開發(fā)的非能動三代核電技術(shù)，其國產(chǎn)化后的CAP1000技術(shù)及CAP1400技術(shù)將成為國內(nèi)核電領(lǐng)域的重要參考技術(shù)，分析AP1000技術(shù)的經(jīng)濟性有助于指導(dǎo)未來類似核電技術(shù)的優(yōu)化。

工程設(shè)計中，AP1000有數(shù)種不同的燃料管理方案供運營方選擇，這些方案均能采用在目前建設(shè)的機組中。

文中給出的各方案只包括了與經(jīng)濟性相關(guān)的參數(shù)，具體工程設(shè)計、計算過程和結(jié)果見參考文獻[1]及工程設(shè)計資料。相關(guān)資料和工程設(shè)計文件是技術(shù)可行性的有力支撐。

選擇何種方案比較合理取決于各自的經(jīng)濟性。評價經(jīng)濟性的方法為對比年均發(fā)電量、年均發(fā)電總成本的高低。

1 AP1000燃料管理方案

壓水堆核電廠運營中，停堆換料和大修是不可避免的運營階段。

兩次停堆之間，燃料組件在反應(yīng)堆內(nèi)經(jīng)歷一個燃料循環(huán)。根據(jù)燃料循環(huán)在整個壽期內(nèi)所處階段的不同，分為首循環(huán)、過渡循環(huán)和平衡循環(huán)。

1.1 首循環(huán)

AP1000首循環(huán)設(shè)計了兩種方案。分別是基本型和先進型[1]。

基本型堆芯裝載方案，燃料分三個區(qū)域裝載，高富集度燃料組件裝在堆芯外圍以此降低功率峰因子。循環(huán)長度為520 EFPD，平均燃耗深度為20 874 MWd/tU。

燃料初始富集度及組件數(shù)量見表1。

表1 基本型裝載方案分區(qū)布置參數(shù)(單堆)Table 1 Enrichment distribution for base scheme(One Unit)

注①：為了實現(xiàn)更加合理的堆芯布置，AP1000機組采用多種不同設(shè)計的燃料組件，相同富集度的組件裝鈾量都不完全相同。

先進型首爐堆芯裝載方案采用“低泄漏裝載方案”，通過模擬18個月?lián)Q料策略和利用6種富集度的燃料組件裝載，堆芯外圍布置富集度為0.74%的燃料組件，其在第二循環(huán)從堆芯中卸出，達到18個月?lián)Q料的目標(biāo)。循環(huán)長度為465 EFPD，平均批卸料燃耗為18 673 MWd/tU。

燃料富集度及組件數(shù)量見表2。

表2 先進型裝載方案分區(qū)布置參數(shù)(單堆)Table 2 Enrichment distribution for advanced scheme(One Unit)

1.2 平衡循環(huán)

AP1000的平衡循環(huán)設(shè)計了兩種方案，一是標(biāo)準(zhǔn)的18個月方案，二是16個月和20個月交替的雙重平衡方案，即雙循環(huán)方案。各自的堆芯裝載見表3及表4。

表3 18個月平衡循環(huán)方案(單堆)Table 3 Enrichment distribution for 18-month balance cycling(One Unit)

18個月平衡循環(huán)循環(huán)長度為510 EFPD，平均卸料燃耗為50 553 MWd/tU。16個月和20個月雙循環(huán)循環(huán)長度分別為451 EFPD和569 EFPD，平均卸料燃耗分別為50 087 MWd/tU和50 296 MWd/tU。

1.3 過渡循環(huán)

過渡循環(huán)是燃料管理方案中不可忽略的一部分，在從首循環(huán)過渡至平衡循環(huán)中均有數(shù)個過渡循環(huán)，其裝載方案一般比較復(fù)雜，并且各循環(huán)間布置方案仍存在差異。AP1000燃料管理方案充分降低過渡循環(huán)數(shù)量，對于基本型及先進型首循環(huán)裝載方案，第二循環(huán)裝載方案類似于18個月平衡循環(huán)，第三循環(huán)類似于20個月平衡循環(huán)，即從第三循環(huán)達到18個月平衡循環(huán)或者16個月和20個月雙循環(huán)的目的均可實現(xiàn)。比較設(shè)計方案后可以發(fā)現(xiàn)，過渡循環(huán)與平衡循環(huán)的設(shè)計基本相同，此外，過渡循環(huán)數(shù)量很少，對電廠經(jīng)濟性影響很有限。因此，對于AP1000機組，過渡循環(huán)對經(jīng)濟性的影響可以不再單獨考慮。

2 經(jīng)濟性分析

不同燃料管理方案的經(jīng)濟性分析應(yīng)關(guān)注兩個方面，一是不同首循環(huán)導(dǎo)致首爐燃料費用的差異，核電項目首爐燃料費用計入核電廠投資基礎(chǔ)價中，對電廠造價有影響；二是不同的平衡循環(huán)布置，導(dǎo)致?lián)Q料成本的差異，對電廠運營成本有影響。

2.1 燃料單價

各循環(huán)的燃料費用可根據(jù)燃料單價和燃料重量計算，不同富集度的燃料組件，燃料單價并不相同。燃料單價的計算需要根據(jù)不同階段(天然鈾、轉(zhuǎn)化、富集、組件制造)各項價格計算[2]，各階段產(chǎn)生的損耗也應(yīng)計入燃料費用中。各階段損耗及單價如表5。

續(xù)表

2.2 首爐燃料費用

表6是基本型和先進型首循環(huán)方案的燃料費用計算結(jié)果(不考慮運費和相關(guān)組件費用)。

經(jīng)過比較可以發(fā)現(xiàn)，基本型燃料管理方案較先進型方案首爐燃料費用增加2億元(20%左右)，約占基礎(chǔ)價投資的1.4%，影響單位kW投資200元/kW左右，對于15 000元/kW左右的投資指標(biāo)有一定影響。

表6 基本型和先進型首循環(huán)方案燃料費用(單堆)Table 6 IFC cost for base and advanced scheme(One Unit)

需要注意的是，兩種首循環(huán)的循環(huán)長度分別為520 EFPD和465 EFPD。循環(huán)長度對應(yīng)單次循環(huán)內(nèi)的發(fā)電量。可以發(fā)現(xiàn)，基本型方案首循環(huán)內(nèi)發(fā)電量為先進型的1.12倍。折算可知，先進型方案下，單位發(fā)電量的燃料成本比基本型降低了近10%(0.077元/kWh至0.071元/kWh)，差別較大。采用較低富集度和燃耗的方案成本低于較高富集度和燃耗的方案。

此外，根據(jù)AP1000工程設(shè)計，其預(yù)想停堆換料時間為21天，不同方案電廠可利用率分別為96.1%和95.7%，年均可發(fā)電量差別很小，基本型方案的增發(fā)電能力有限。

2.3 運營成本

對于相同的首循環(huán)，投資成本、燃料成本和運營維護成本受發(fā)電量的影響，燃料成本與燃料富集度也有關(guān)。

2.3.1 投資成本

投資成本與發(fā)電量成反比關(guān)系。根據(jù)AP1000機組估算、概算情況，其投資成本約占總成本的45%～50%，是發(fā)電成本的主要組成部分。長周期換料循環(huán)導(dǎo)致投資成本能夠被較大的發(fā)電量降低。根據(jù)18個月平衡循環(huán)和16個月/20個月雙循環(huán)的特點，前者循環(huán)長度達到了510 EFPD，后者在兩次循環(huán)中達到了1020 EFPD。在AP1000假定的21天的停堆換料情況下，兩種方案單個循環(huán)平均發(fā)電量相同，投資成本也相同。選用任一方案，投資成本均較更短周期的成本低。

2.3.2 燃料成本

由于兩種平衡循環(huán)的單個循環(huán)發(fā)電量相同，其燃料成本的高低取決于循環(huán)所需的燃料換料費用的高低。表7是單次換料時，18個月循環(huán)換料費用和16/20個月雙循環(huán)平均每次換料費用。

表7 18個月循環(huán)和16/20個月雙循環(huán)單次換料費用(單堆)Table 7 Fuel cost for 18-month and 16/20-month balance cycling per reload(One Unit)

由表7可見，雙循環(huán)平均單次換料費用高于18個月循環(huán)，約為后者的101.7%，差別很小。三個循環(huán)下，單位發(fā)電量的燃料成本如表8。

表8 18個月、16個月、20個月發(fā)電情況、換料費用及成本(單堆)Table 8 Revenue and cost for different balance cycling per reload(One Unit)

可見，低富集度的18個月、16個月方案，燃料成本低于20個月。為了驗證這一點，計算滿足規(guī)范要求的7 000 h內(nèi)，不同方案的年燃料費，見表9。

表9 18個月、16個月、20個月年燃料費用計算(單堆，7 000小時/年)Table 9 Fuel cost for different balance cycling per year(One Unit，7 000 h/a)

采用高富集度的循環(huán)方案導(dǎo)致燃料單價上漲，而燃耗并未相應(yīng)幅度的增大，相同發(fā)電量下的燃料消耗量并未降低，因此，燃耗較低的方案燃料費用反而較低。18個月方案優(yōu)于復(fù)雜的16個月和20個月雙循環(huán)方案。

2.3.3 運營維護成本

核電站成本的第三部分是運營維護成本，可分為可變成本及固定成本。由于兩種平衡循環(huán)的單次循環(huán)平均循環(huán)長度相同，發(fā)電量相同，因此，長期來看，兩種平衡循環(huán)的方案下，運營維護成本相同。

2.3.4 發(fā)電量

長期來看，兩種平衡循環(huán)年均發(fā)電量相同，變更循環(huán)并不能達到增大發(fā)電量、增加售電收入的目的。如果能夠達到穩(wěn)定的20個月循環(huán)長度，其年均發(fā)電量能夠略高于18個月方案。

2.4 小結(jié)

從前文分析可以發(fā)現(xiàn)，擁有較長循環(huán)長度的基本型方案經(jīng)濟性差于較短循環(huán)長度的先進型方案，后者通過復(fù)雜的“低泄漏”布置和較多富集度分區(qū)，在較低的富集度下實現(xiàn)了相對較長的循環(huán)長度，相比傳統(tǒng)的三種富集度分區(qū)的布置，能夠較大幅度的提高首循環(huán)的經(jīng)濟性，降低首爐燃料投資的10%。

與此同時，AP1000設(shè)計的兩種平衡循環(huán)平均單次循環(huán)長度相同，采用任一種循環(huán)對于投資成本、運營維護成本基本沒有影響。但采用18個月循環(huán)的方案，燃料成本略低。主要問題在于20個月循環(huán)時，高富集度布置并未實現(xiàn)高燃耗，但是兩種方案的差別很小。

除此之外，各階段單價水平對于燃料費用對比結(jié)果有直接關(guān)系。

3 敏感性分析

首循環(huán)和過渡循環(huán)的燃料費用對比結(jié)果與采用的各階段單價有直接關(guān)系，分別測算天然鈾、鈾轉(zhuǎn)化、分離功、組件制造單價各自變化±5%時，單位發(fā)電量燃料費用的對比情況，如圖1。

圖1 單位發(fā)電量首爐燃料費差額(基本型-先進型)Fig.1 Difference of IFC cost per kWh(base scheme-advanced scheme)

從燃料費差額可以發(fā)現(xiàn)，在各階段單價均發(fā)生最不利影響因素大于40%時，才可能影響基本型和先進型裝載方案的對比結(jié)果，導(dǎo)致單位發(fā)電量先進型裝載方案燃料費用高于基本型。對燃料經(jīng)濟性影響較大的是天然鈾價格和分離功價格，并且只有在燃料單價水平較低、分離功價格水平也較低時，高富集度方案才會逐漸體現(xiàn)優(yōu)勢，如果兩個價格提高，高富集度方案的經(jīng)濟性將會降低，采用低富集度方案比較合理。

過渡循環(huán)燃料經(jīng)濟性隨各階段單價的變化特性與此相同。

4 結(jié)論

AP1000標(biāo)準(zhǔn)機型，設(shè)計了兩種不同的首循環(huán)裝載方案和兩種不同的平衡循環(huán)燃料裝載方案，不同方案的選取對于燃料經(jīng)濟性的作用，主要體現(xiàn)在首爐燃料費對建設(shè)投資高低的影響，以及換料時燃料費用對運營成本高低的影響。

在目前選取的各階段單價下，基本型燃料管理方案首爐燃料費用高于先進型方案，影響單位千瓦投資200元/kW左右，對投資指標(biāo)有一定影響。對于首循環(huán)，采用較低富集度和燃耗的方案成本低于較高富集度和燃耗的方案。

對于平衡循環(huán)，采用任一種循環(huán)對于投資成本、運營維護成本基本沒有影響。但采用18個月循環(huán)的方案，燃料成本略低，但差別很小。

從敏感性分析可知，核燃料市場各階段單價和高、低富集度裝載方案的燃料經(jīng)濟性對比結(jié)果有直接關(guān)系，在天然鈾單價和分離功單價水平較低的情況下，采用低富集度方案的經(jīng)濟型較好。當(dāng)然，低富集度方案會導(dǎo)致燃料循環(huán)較短，增加換料時間，導(dǎo)致售電量的降低，降低經(jīng)濟性。但對于AP1000，兩種平衡循環(huán)的選擇和售電量無關(guān)，只決定于燃料單價，在目前的市場單價下，富集度相對較低的18個月?lián)Q料有較好經(jīng)濟性。

[1] 王成孝. 核電站經(jīng)濟[M]. 北京:原子能出版社，1996.

[2] 孫漢虹等. 第三代核電技術(shù)AP1000[M]. 北京:中國電力出版社，2010.

Economic Analysis of AP1000 Nuclear Fuel Management Design

ZHENG Bao-jun，F(xiàn)U Yi

(China Nuclear Power Engineering Corporation， Beijing 100840， China)

The Nuclear Power Plant’s economic efficiency will be significantly affected by the fuel management method adopted. For one NPP， performing comparative analysis among different design schemes will help fully understand the impact from this single factor. AP1000 has developed two types of initial cycle and two types of equilibrium cycle， as well as created several transition modes from differentiated initial cycle to equilibrium cycle. This report， focusing on the characteristics of each design scheme， is intended to conduct comparative economic analysis among different designs and to analyze the influence on economic results brought by different fuel cost related elements. The purpose of the report is to assist decision-makers with fuel scheme selection.

AP1000；Nuclear Fuel Management Design；Economic Analysis

2015-05-31

鄭保軍(1985—)，男，河北人，工程師，碩士，核電廠工程造價及經(jīng)濟分析

TL364

A

0258-0918(2016)04-0555-06